商州南秦河大橋工程處河床演變分析

曹 菀，鐘 飛

（商洛市水電勘測設(shè)計院，陜西 商洛 726300）

1 概況

商州區(qū)南秦河大橋位于商洛市城區(qū)南大門南秦橋下游1.2 km處，橫跨南秦河，起于南大門引線，至于龜山大道，長75.1 m、寬32 m，中間雙向四車道寬20 m，兩側(cè)人行道寬6 m，橋面南高北低，坡度-1.415%，坡長142.935 m，橋梁上部主體采用3 m×22.9 m預(yù)應(yīng)力混凝土連接小箱梁結(jié)構(gòu)連接，單跨22.9 m，下部采用單排4柱式墩、5柱臺，鉆孔端承樁基礎(chǔ)，橋臺均坐落于南秦河兩岸河堤上，由南到北分布著0、1、2、3號墩臺，0、3號墩臺有5個灌注樁，1、2號墩臺有4個灌注樁。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）南秦河中橋按100年一遇洪水設(shè)防。為了確保工程安全建設(shè)，根據(jù)涉河工程建設(shè)的有關(guān)法規(guī)和國家《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目管理的有關(guān)規(guī)定》，需對工程處的河道演變和河勢穩(wěn)定情況進行分析。

2 南秦河水沙特性分析

2.1 南秦河水沙特性分析

發(fā)源于商洛市東岳廟鄉(xiāng)雞冠嶺的南秦河，屬暖溫帶和北亞熱帶過渡性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12.9℃，多年平均降雨量709 mm，暴雨多集中在7、8、9三個月，10月進入連陰雨天氣。南秦河主要支流有林岔河、石道峪、赤水峪、石龍灣河、金陵寺河、大流峪河，于商州區(qū)劉灣辦事處候源村匯入丹江。河長48 km，流域面積576 km2，河道平均比降16.6‰，多年平均徑流量1.6億m3，徑流模數(shù)為7.93 m3/s km2，實測最大流量441 m3/s。徑流年內(nèi)分配為夏秋較多，冬春較少。南秦河流域?qū)偻潦絽^(qū)，植被較差，侵蝕模數(shù)1302 t/km2。泥沙主要是由于暴雨對流域強烈的侵蝕作用形成的，具有水沙關(guān)系協(xié)調(diào)、年際變化大、年內(nèi)分配不均、推移質(zhì)占的比例較大的特點。平均含沙量4.44 kg/m3，平均輸沙率18.4 kg/s。據(jù)該河謝塬水文站1959～2001年32年懸移質(zhì)泥沙資料統(tǒng)計（1974～2001年懸移質(zhì)輸沙量系用鄰近麻街站按面積比擬到謝塬站），年輸沙量的最大值和最小值分別為平均值的3.73倍和0.02倍；泥沙主要集中在汛期，其中7～9月輸沙量占年總量的83.1%，可見沙量比水量更集中。

2.2 洪水特性分析

南秦河流域暴雨洪水頻繁，與丹江一樣。據(jù)南秦河謝垣水文站11年實測資料統(tǒng)計，南秦河洪水最早發(fā)生在4月，最遲發(fā)生在10月，年最大洪水一般發(fā)生在6～9月。南秦水庫1988年8月14日實測最大洪峰流量為703 m3/s。洪水具有陡漲陡落，歷時較短的特點，洪水歷時一般在10～24 h，10月的洪水主要受連陰雨的影響，呈現(xiàn)出洪峰流量小，歷時長的特點。小河溝多發(fā)生歷時短，高強度的大暴雨，易引發(fā)山洪，同時引發(fā)泥石流和滑坡等次生災(zāi)害。南秦河上段山高坡陡，河短流急，匯流迅速，洪水陡漲陡落，一次洪水過程一般為一日左右，洪水過程大多數(shù)呈單峰，且峰形尖瘦。隨著匯流面積的增大，洪水過程延長至2～5天，峰型則具有多峰鋸齒狀特點。

3 河道演變分析

3.1 河道歷史演變概況

南秦河大橋工程處在南秦河流域，由于該流域地理位置和地形、地貌特點，其年內(nèi)、年際間的降水分配極不均勻，洪澇災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，造成了流域內(nèi)不同程度的水土流失。在流域的河谷內(nèi)，水土流失較輕；在低山丘陵區(qū)，地面坡度1/500～1/200，水土流失嚴(yán)重，以溝蝕為主。根據(jù)歷年資料分析，在歷次洪水中，河道主槽主要在南北兩山山腳間擺動，河床相對穩(wěn)定。受洪水沖刷、水土流失、不均勻降雨影響，存在著局部沖刷和淤積問題，但對整個河槽未產(chǎn)生較大影響。受地質(zhì)構(gòu)造制約，河勢基本穩(wěn)定，河道變遷擺動很小。

該工程建設(shè)區(qū)河道歷史上一直處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，河道演變規(guī)律是漲沖落淤，即洪水期間漲水段流速增大，河床沖刷，落水段流速減小，河床回淤。汛前汛后河床斷面沖淤變化較小，從水文資料系列分析，沖淤變化接近沖淤平衡或者略有沖刷，河底高程有不同程度的下降。

3.2 河道近期演變分析

3.2.1 河道平面變化分析

根據(jù)調(diào)查成果和歷史資料分析，工程項目區(qū)所在河流為丹江較大支流，河流性狀基本接近。工程項目區(qū)河道河床雖有沖淤變化，一般河道改變的規(guī)律是小水時候河床橫向變化較大，大水的時候河床橫向相對保持走向不變。工程項目區(qū)所在河流經(jīng)過長期的自然運行和沖刷，河岸平面位置趨于穩(wěn)定，高水部分河岸基本無橫向擺動現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，并對當(dāng)?shù)卮迕褡咴L，綜合分析得知：南秦水庫建成以后，當(dāng)?shù)睾拥篮哟参窗l(fā)生過橫向變化，個別年份發(fā)生較大洪水時，部分河堤被沖毀，通過及時加固堤防后，河道橫向變化處于可控范圍內(nèi)。

3.2.2 河道縱向變化分析

南秦水庫上游河段，受水庫蓄水位的影響，主河道高水位時，水庫水流頂托作用大，河道沉砂落淤，河床有一定的淤積。從1988年“8·14”洪水至今，河道沖刷與淤積變化比較頻繁，變化幅度在上下0.8～1.5 m范圍內(nèi)。由于水庫的攔蓄洪水和泥沙，壩址下游河道略有下切。近十年，隨著滬陜高速西藍商段、商洛市城市建設(shè)、居民建房等工程的建設(shè)，采砂活動頻繁，形成部分河段河床下切嚴(yán)重，短期內(nèi)不良演變加劇，部分河段河床下切3～4 m。隨著龜山大道工程、河堤工程等建成運行不在受工程建設(shè)影響后，河床沖刷下切現(xiàn)象將會逐步趨小。

4 河道沖刷與河勢穩(wěn)定性分析

4.1 河道泥沙輸送分析

根據(jù)謝塬水文站實測資料可知，南秦河多年平均懸移質(zhì)輸沙量為30.6萬 t，若懸移質(zhì)的容重按1.3 t/m3計，合23.5萬m3。南秦河的河道比降陡，推移質(zhì)的量較大，采用推懸比法估算推移質(zhì)輸沙量時，推懸比按山區(qū)河流取0.2，得到謝塬站推移質(zhì)的多年平均輸沙量為6.1萬t，若推移質(zhì)的容重按1.6 t/m3計，合3.8萬m3。輸沙總量為懸移質(zhì)輸沙量和推移質(zhì)輸沙量之和，經(jīng)計算謝塬站多年平均輸沙總量為36.7萬t，合27.3萬m3。工程區(qū)泥沙以謝塬水文站為參證站，按面積比擬法計算工程區(qū)各河段的輸沙總量，計算結(jié)果懸移質(zhì)輸沙量5.0萬t，推移質(zhì)輸沙量1萬 t，輸沙總量 6萬t。

4.2 河道沖刷分析

在自然條件下，河道中水流驅(qū)使床面泥沙運動，泥沙運動后的床面形態(tài)又影響水流結(jié)構(gòu)，河流總是處在不斷的變化和發(fā)展過程中。當(dāng)河流上興建了涉水建筑物后，河床演變將變得更加迅速和劇烈，由于受引堤、墩、臺等建筑物的擠壓作用，橋渡上游常產(chǎn)生水位升高、流速減緩、水流挾沙能力降低等現(xiàn)象，橋位處則因斷面縮窄，流速增大而產(chǎn)生沖刷。根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC30-2002）和《公路橋涵設(shè)計手冊·橋位設(shè)計》，橋梁墩臺沖刷由一般沖刷和局部沖刷兩部分組成，一般沖刷包括河流的洪水沖刷和建筑物的壓縮沖刷。

大橋位河段河床基本為含礫粗砂層，利用南秦河中橋橋位處斷面的實測河道資料、河床泥沙粒徑資料（照片）、地質(zhì)條件和洪水資料，河槽一般沖刷計算按《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》和《公路橋涵設(shè)計手冊·橋位設(shè)計》推薦的64-1修正式和64-2簡化式進行計算，計算結(jié)果見表1。從表中可以看出，兩個公式計算比較接近，為安全起見，本次選用較大沖深值。

表1 一般沖刷計算成果表

局部沖刷按《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》和《公路橋涵設(shè)計手冊·橋位設(shè)計》推薦的65-1修正式和65-2式進行計算，成果表2。結(jié)合橋上下游河道情況，從工程安全考慮，本次選用數(shù)值較大的計算成果。

表2 局部沖刷計算成果表

因為河床一般沖刷、局部沖刷之間的相互關(guān)系目前尚不清楚，河道斷面形態(tài)變化難以準(zhǔn)確預(yù)測，泥沙粒徑粗化影響較為復(fù)雜，因此計算總沖刷深度從偏于安全考慮采用簡化辦法，即按照兩項數(shù)值疊加得出本次推薦數(shù)值，使用現(xiàn)狀洪水位減去總沖刷水深推薦值得到最低沖刷線高程，見表3、表 4。

表3 南秦河中橋沖刷計算成果表

表4 南秦河中橋沖刷計算成果推薦表

4.3 河道演變趨勢分析

由于南秦河大橋上游南秦水庫攔截了大量來沙，使當(dāng)?shù)睾拥滥嗌逞a充減少，總的變化趨勢是相對穩(wěn)定，略有下切。下切趨勢隨河道取沙規(guī)模和數(shù)量成一定的正向?qū)?yīng)關(guān)系。受山區(qū)地形限制，加之堤防工程的控制，河段平面變化趨勢已基本穩(wěn)定，今后河勢不會發(fā)生大的變遷。河道沖淤變化在施工期（區(qū)）變化大于其它河段。隨著工程項目的投入運行，當(dāng)?shù)睾拥廊∩骋?guī)模的減少，以及在河道修建攔沙壩等工程措施發(fā)揮作用后，當(dāng)?shù)睾拥篮哟蚕虑械内厔葜饾u減小。從長遠來看，當(dāng)?shù)睾拥赖淖兓厔輰⒈３窒鄬Ψ€(wěn)定，沖淤變化將會趨小，保持緩慢的下切。

5 結(jié)語

通過對南秦河大橋所臨河段水流泥沙特性、河床演變規(guī)律以及南秦河中橋建設(shè)對所在河段防洪影響情況的分析計算可知，南秦河大橋總沖刷深度為2.36 m，南秦河中橋項目橋梁基礎(chǔ)為灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深遠遠大于沖刷深度。所以，當(dāng)發(fā)生設(shè)計洪水時南秦河中橋是安全的。南秦河大橋項目建設(shè)后對河勢的穩(wěn)定影響甚微。

通過對南秦河大橋工程所在的河勢分析，提出以下建議：

（1）南秦河大橋項目的建設(shè)橫跨河道，占用河道，橋墩的阻水作用，使水流側(cè)向擠壓增加，局部流速加大，加大了水流對河床、河堤的沖刷作用，對河床的沖刷在沖刷計算中已詳細說明，最大沖刷深度達到2.36 m，而河堤的基礎(chǔ)埋深是2.5 m，由于近幾年南秦河下切，齒墻已外露1.4 m，實際埋深只剩1.1 m，嚴(yán)重影響河堤的安全，因此建議在大橋下游約15 m處修建一座混凝土重力攔砂壩以確保大橋安全。

（2）加強工程區(qū)河道管理，禁止在河道內(nèi)采砂取石，包括大橋建設(shè)的用料，以避免河道沖刷加劇，確保河道行洪安全。